CN109622615B - 一种利用激光加热获得可控软硬层状结构金属板材的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种利用激光加热获得可控软硬层状结构金属板材的工艺，涉及金属强化领域。该方法首先通过冷轧等冷加工方式使得金属板材发生塑性变形，细化晶粒，提高金属板材的强度和硬度；再利用激光对轧制后的金属板材表面进行间隔局部加热从而使得晶粒不完全再结晶，促使晶粒长大，降低材料加热区域的硬度、提高金属板材的塑性和韧性，得到可控软硬异质层状结构金属板材。通过调整塑性变形程度和不完全再结晶区域的分布，使得金属板材获得更加优良的软硬梯度分布，得到良好的强度‑塑性匹配，提高材料的力学性能，从而扩大了该金属板材的实际工业适用范围。

Description

一种利用激光加热获得可控软硬层状结构金属板材的工艺
技术领域
本发明为涉及金属强化领域，一种利用激光加热获得可控软硬层状结构金属板材的工艺。
背景技术
剧烈的塑性变形会使得金属板材晶粒内部位错发生滑移，产生位错缠结阻碍晶格滑移，同时细化晶粒，使得金属材料的强度提高，但位错缠结也会阻碍晶粒内部位错的滑移使得材料的塑性下降。所以金属材料在获得高强度的同时往往塑性大幅度下降。如何在提高金属材料强度的同时又能提高材料的塑性是目前广大学者的研究热点。
高波等人在《金属热处理》(高波,李建生,李玉胜,异质层状结构316L不锈钢的制备及其力学性能[J].金属热处理,2018(3).)上发表了一篇名为“异质层状结构316L不锈钢的制备及其力学性能”的文章，介绍了一种制备异质层状结构316L不锈钢的方法。该方法首先利用冷轧来获得超细晶粒，再通过退火得到较粗的再结晶晶粒，从而获得异质层状结构的316L不锈钢。这种方法制备的316L不锈钢能够在一定程度上兼具超细晶的高强度和粗晶的高韧性。与原始结构的不锈钢相比，其拥有更好的强度-塑性匹配，提升了316L不锈钢的综合性能，扩大了应用范围。异质层状金属通过调整细晶和粗晶的分布，形成细晶和粗晶的晶粒层状分布，获得了具有优秀强度-塑性匹配的金属材料。
中国发明专利CN104438322A介绍了一种金属层状微梯度复合材料的制备方法，该方法利用同系列异质多层合金轧制复合与热处理工艺，通过合金元素的界面扩散来获得微梯度复合材料。这种方法的特点是(1)利用合金元素的扩散，界面附近化学成分和性能存在明显微梯度，可以实现较好的界面结合强度。(2)可以通过改变轧制复合工艺，叠层顺序和热处理工序调控微梯度界面的数量和微梯度层的厚度。
现有技术的局限点在于(1)对材料表面清洁度要求高，需要进行高度打磨，深度清洗，保持表面的平整，才能保证材料的紧密结合。(2)生产效率低下，需要将材料进行退火自然冷却处理，还需要多次裁剪、铆接，极大地浪费了生产时间。
发明内容
本发明目的在于提供一种利用激光加热获得可控软硬层状结构金属板材的工艺。
实现本发明目的的技术方案为：
一种利用激光加热获得可控软硬层状结构金属板材的工艺，该工艺为：首先将金属板材通过冷变形方式，利用塑性变形获得金属板材坯料；再通过激光加热在金属板材坯料表面进行间隔局部加热，再利用退火再结晶降低金属板材坯料的加热区域的硬度，最终获得可控软硬异质层状结构金属板材。
进一步的，该方法具体步骤如下：
第一步，对金属板材表面进行预处理，去除油污和氧化膜，打磨到板材表面出现金属光泽；
第二步，取一块金属板材将其放入同步/异步冷轧机中进行整体轧制，根据板材的硬度设定轧制量，当达到指定的轧制量后取下；
第三步，将轧制后的金属板材固定好，使用激光束对板材表面间隔局部加热，激光束在第一个加热区域加热完成后，间隔一段距离在下一个加热区域内对金属板材继续进行加热，多次进行直至板材尾端；
第四步，将金属板材翻面，再使用激光束对金属板材表面进行间隔局部加热，加热参数与上表面一致，加热区域为上表面加热区域的背面，冷却后得到可控软硬层状结构金属板材。
进一步的，首先采用冷轧的冷变形方式使得金属板材产生塑性变形，达成细化晶粒。
进一步的，金属板材为316LN不锈钢钢板、TC4的钛合金板、7075铝合金金属板材或H65的铜合金板。
进一步的，316LN不锈钢钢板，其成分wt.％如下：C≤0.03，Si≤0.73，Mn≤1.42，P≤0.045，S≤0.03，Ni为10.0～14.0，Cr为16.0～18.0，Mo为2.0～3.0，N为0.10～0.16，其余为Fe及不可避免的杂质。
进一步的，TC4的钛合金板，其成分wt.％如下：C≤0.1，Fe≤0.3，N≤0.05，H≤0.015，O≤0.2，Al指南5.5～6.8，V占3.5～4.5，余量为Ti和杂质。
进一步的，7075铝合金金属板材，其成分wt.％如下：Si为0.40，Fe为0.50，Cu为1.52，Mn为0.30，Mg为2.40，Cr为0.21，Zn为5.80，Ti为0.21，余量为Al及不可避免的杂质。
进一步的，H65的铜合金板，其成分wt.％如下：Fe≤0.10，Pb≤0.03，B≤0.01,Sb≤0.005，Bi≤0.002，Cu占63.5～68.0，余量为Zn和不可避免的杂质。
本发明与现有技术相比具有显著优点如下：
(1)本发明通过调整加热间隔距离和加热区间可以调控金属板材的软硬梯度。
(2)本发明自动化程度高，减少了人工成本，可以大规模制备。
(3)本发明的操作流程简单，生产效率高。
附图说明
图1为本发明的加工流程的示意图。
其中1为轧机的轧辊，2为未轧制前的软金属板，3为轧制后的硬板；4表示激光加热器，5表示的是在激光加热装置的作用轧制后板材再结晶的区域(粗晶区)；6表示金属板轧制区域(细晶区)，7表示金属板加热后再结晶区域(粗晶区)，8表示激光器行进路径，9表示最终制成的可控软硬异质层状结构金属板。
图2为316LN不锈钢处理后硬度分布图。
其中(a)为316LN不锈钢冷轧50％后，对右侧进行激光加热后的硬度分布图，其中(b)为316LN不锈钢冷轧65％后，对距板材左右两端1.4cm处两块1.4cm*5cm的区域进行激光加热后的硬度分布图，其中(c)为316LN不锈钢冷轧80％后，对距离板材左端1cm，3cm和5cm处的三处面积为1cm*5cm的区域进行激光加热后的硬度分布图。
图3为TC4钛合金处理后硬度分布图。
其中(a)为TC4钛合金冷轧10％后，对右侧进行激光加热后的硬度分布图。其中(b)为TC4钛合金冷轧20％后，对距板材左右两端1.4cm处两块1.4cm*5cm的区域进行激光加热后的硬度分布图；其中(c)为TC4钛合金冷轧30％后，对距离板材左端1cm，3cm和5cm处的三处面积为1cm*5cm的区域进行激光加热后的硬度分布图。
图4为7075铝合金处理后硬度分布图。
其中(a)为7075铝合金轧制40％后，对从长度方向距板材左右两端1.4cm处两块1.4cm*5cm的区域进行激光进行加热后硬度分布图；其中(b)为7075铝合金轧制50％后，对从长度方向距板材左右两端1.4cm处两块1.4cm*5cm的区域进行激光进行加热后硬度分布图；其中(c)为7075铝合金轧制50％后，从长度方向距离板材左端1cm，3cm和5cm处的三处面积为1cm*5cm的区域进行激光加热后硬度分布图。
图5为H65铜合金处理后硬度分布图。
其中(a)为H65铜合金轧制30％后，对从长度方向距板材左右两端1.4cm处两块1.4cm*5cm的区域进行激光进行加热后硬度分布图；其中(b)为H65铜合金轧制40％后，对从长度方向距板材左右两端1.4cm处两块1.4cm*5cm的区域进行激光进行加热后硬度分布图。其中(c)为H65铜合金轧制40％后，从长度方向距离板材左端1cm，3cm和5cm处的三处面积为1cm*5cm的区域进行激光加热后硬度分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。
实施例1
本实施例中采用3块尺寸为7cm*5cm*10mm的316LN不锈钢钢板，其成分(wt.％)如下：C≤0.03，Si≤0.73，Mn≤1.42，P≤0.045，S≤0.03，Ni为10.0～14.0，Cr为16.0～18.0，Mo为2.0～3.0，N为0.10～0.16，其余为Fe及不可避免的杂质。
(1)将选取的3块316LN不锈钢板材进行表面预处理，去除表面上的油污和氧化膜，打磨到呈现金属光泽；
(2)如图1所示在室温条件下用同步/异步冷轧机对经过预处理3块的316LN不锈钢板材进行冷轧处理，轧制每道次压下量为0.2mm，最终将板厚轧制为5mm，3.5mm和2mm，总轧制压下量分别为50％，65％和80％；
(3)将轧制后的316LN不锈钢板固定好，使用YLS-6000型激光器从不锈钢板一端使用激光束对其沿着宽度方向进行局部加热。激光器的功率为1.6kw，扫描速度为8mm/s，光斑直径为2mm。第一块金属板加热区域为材料的右半侧，第二块金属板加热区域为距板材左右两端1.4cm处两块1.4cm*5cm的区域，第三块金属板加热区域分别为距离板材左端1cm，3cm和5cm处的三处面积为1cm*5cm的区域；
(4)当上表面加热完成后将316LN不锈钢板材翻转至背面，再利用激光束对下表面进行局部加热，加热的区域为上表面被加热的那些区域背面，使用的参数与上表面一致，自然冷却后得到软硬异质层状结构金属板材。
对通过上述方法得到的异质层状结构316LN不锈钢板材进行力学测试。从图2可以看出通过本发明处理后的316LN不锈钢板材在内部存在着明显的软硬梯度。这是因为轧制之后晶粒细化材料硬度升高，而之后的加热又促使了晶粒再结晶，使得晶粒长大从而降低了材料的硬度。利用细晶与粗晶硬度的差异最终在材料内部形成硬度梯度。通过对比可以看出改变轧制压下量，调整加热区域的大小和分布可以调整316LN金属板的软硬梯度，从而改善材料的力学性能。
实施例2
本实施例采用三块尺寸为7cm*5cm*10mm，牌号为TC4的钛合金板作为实验对象，其成分(wt.％)如下：C≤0.1，Fe≤0.3，N≤0.05，H≤0.015，O≤0.2，Al指南5.5～6.8，V占3.5～4.5，余量为Ti和杂质。
(1)使用砂轮和酒精对选取好的TC4钛合金板进行表面预处理，去除表面的杂质、油污和氧化膜，直至表面呈现出明亮的金属光泽；
(2)在室温条件下用同步/异步冷轧机对经过预处理的TC4钛合金板进行冷轧处理，轧制每道次压下量为0.1mm，最终轧制后厚度为9mm，8mm和7mm总的轧制压下量分别达到10％，20％，30％；
(3)将轧制后的TC4钛合金板放入激光箱中固定好，使用YLS-6000型激光器从TC4钛合金板一端对其间隔局部加热，激光器的功率为1.8kw，扫描速度为8mm/s，光斑直径为2.5mm。第一块金属板加热区域为材料的右半侧，第二块金属板加热区域为距板材左右两端1.4cm处两块1.4cm*5cm的区域，第三块金属板加热区域分别为距离板材左端1cm，3cm和5cm处的三处面积为1cm*5cm的区域；
(4)当上表面加热完成之后，将TC4钛合金板翻转至下表面，再对下表面进行间隔局部加热，激光参数与上表面一致。加热区域为上表面加热区域的背面，冷却后就可以得到力学性能更加优异的TC4钛合金板，自然冷却后得到软硬异质层状结构金属板材。
本实施例对通过上述方法得到的TC4钛合金板进行了力学测试，得到了如图3所示的硬度分布图。从图中可以看出在轧制后与激光加热后的区域内存在着明显的硬度差异，构成了一个规律的软硬梯度分布。这是由于轧制产生塑性变形细化晶粒，而激光加热会使得晶粒再结晶长大，最终细晶与粗晶的硬度差异在材料内部形成硬度梯度。随着轧制程度改变和激光加热区域分布的不同，TC4钛合金板材的软硬梯度也随之变化，最终获得可控的软硬异质层状TC4板材。
实施例3
实施例选用三块尺寸为7cm*5cm*10mm的7075铝合金金属板材，其成分(wt.％)如下：Si为0.40，Fe为0.50，Cu为1.52，Mn为0.30，Mg为2.40，Cr为0.21，Zn为5.80，Ti为0.21，余量为Al及不可避免的杂质。7075铝合金的强度、硬度都比较高，但是延伸率比其他系列铝合金低。
具体操作步骤如下：
(1)将选取的三块尺寸为7cm*5cm*10mm的7075铝合金金属板材进行表面预处理，使用砂轮和酒精去除表面油污和氧化膜，打磨至板材表面呈现出明亮的金属光泽为止；
(2)在室温条件下用同步/异步冷轧机对经过预处理的7075铝合金金属板材进行冷轧处理，轧制每道次压下量为0.25mm，最终轧制后板材厚度分别为6mm，5mm和5mm，总轧制压下量达到40％，50％和50％；
(3)将轧制后7075铝合金金属板材放入激光箱中固定好，使用YLS-6000型激光器从7075铝合金板一端对其间隔局部加热，激光器的功率为1.4kw，扫描速度为8mm/s，光斑直径为4mm。第一块金属板加热区域为从长度方向距板材左右两端1.4cm处两块1.4cm*5cm的区域，第二块金属板加热区域为从长度方向距板材左右两端1.4cm处两块1.4cm*5cm的区域，第三块金属板加热区域分别为从长度方向距离板材左端1cm，3cm和5cm处的三处面积为1cm*5cm的区域；
(4)当上表面加热完成之后，将7075铝合金金属板材翻转至下表面，再使用激光束对下表面进行间隔局部加热，使用的激光参数与上表面一致，加热区域为上表面被加热的区域所对应的背面。冷却后就可以获得异质层状结构7075铝合金金属板材。
对本实施例得到的7075铝合金板进行硬度测试，得到如图4所示的硬度分布图。从图中可以看出经过轧制和激光加热后，铝合金内部出现明显的硬度梯度，并且硬度梯度会随着轧制程度和加热区域的改变而发生明显的改变。这是由于轧制产生塑性变形细化晶粒，而加热会使得晶粒再结晶使得晶粒长大，细晶与粗晶的硬度不同，最终形成材料内部的硬度梯度。
实施例4
本实施例采用三块尺寸为7cm*5cm*10mm，牌号为H65的铜合金板作为实验对象，其成分(wt.％)如下：Fe≤0.10，Pb≤0.03，B≤0.01,Sb≤0.005，Bi≤0.002，Cu占63.5～68.0，余量为Zn和不可避免的杂质。
(1)使用砂轮和酒精对选取好的H65铜合金板进行表面预处理，去除表面的杂质、油污和氧化膜，直至表面呈现出明亮的金属光泽；
(2)在室温条件下用同步/异步冷轧机对经过预处理的H65铜合金板进行冷轧处理，轧制每道次压下量为0.2mm，最终轧制后厚度为7mm，6mm和6mm总的轧制压下量分别达到30％，40％，40％；
(3)将轧制后的H65铜合金板放入激光箱中固定好，使用YLS-6000型激光器从H65铜合金板一端对其间隔局部加热，激光器的功率为1.6kw，扫描速度为8mm/s，光斑直径为3mm。第一块金属板加热区域为从长度方向距板材左右两端1.4cm处两块1.4cm*5cm的区域，第二块金属板加热区域为从长度方向距板材左右两端1.4cm处两块1.4cm*5cm的区域，第三块金属板加热区域分别为从长度方向距离板材左端1cm，3cm和5cm处的三处面积为1cm*5cm的区域；
(4)当上表面加热完成之后，将H65铜合金板翻转至下表面，再对下表面进行间隔局部加热，激光参数与上表面一致。加热区域为上表面加热区域的背面，冷却后就可以得到力学性能更加优异的H65铜合金板。
对本实施例得到的H65板进行硬度测试，得到图5所示的硬度分布图，可以看出材料内部有着明显的硬度梯度，这是因为轧制之后晶粒细化材料硬度升高，而之后的加热又促使了晶粒再结晶，使得晶粒长大从而降低了材料的硬度。通过改变加热区域的间隔和区域，调节材料内部的硬度梯度，最终形成了具有明显硬度梯度的H65铜合金板。

Claims (6)

1.一种利用激光加热获得可控软硬层状结构金属板材的工艺，其特征在于，该工艺为：
首先将金属板材通过冷变形方式，利用塑性变形获得金属板材坯料，具体为采用冷轧的冷变形方式使得金属板材产生塑性变形，达成细化晶粒；再通过激光加热在金属板材坯料表面进行间隔局部加热，再利用退火再结晶降低金属板材坯料的加热区域的硬度，最终获得可控软硬异质层状结构金属板材；该工艺具体步骤如下：
第一步，对金属板材表面进行预处理，去除油污和氧化膜，打磨到板材表面出现金属光泽；
第二步，取一块金属板材将其放入同步/异步冷轧机中进行整体轧制，根据板材的硬度设定轧制量，当达到指定的轧制量后取下；
第三步，将轧制后的金属板材固定好，使用激光束对板材表面间隔局部加热，激光束在第一个加热区域加热完成后，间隔一段距离在下一个加热区域内对金属板材继续进行加热，多次进行直至板材尾端；
第四步，将金属板材翻面，再使用激光束对金属板材表面进行间隔局部加热，加热参数与上表面一致，加热区域为上表面加热区域的背面，冷却后得到可控软硬层状结构金属板材；
所述的金属板材为316LN不锈钢钢板、TC4的钛合金板、7075铝合金金属板材或H65的铜合金板。
2.根据权利要求1所述的可控软硬层状结构金属板材的工艺，其特征在于，所述的316LN不锈钢钢板，其成分wt.％如下：C≤0.03，Si≤0.73，Mn≤1.42，P≤0.045，S≤0.03，Ni为10.0～14.0，Cr为16.0～18.0，Mo为2.0～3.0，N为0.10～0.16，其余为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的可控软硬层状结构金属板材的工艺，其特征在于，所述的TC4的钛合金板，其成分wt.％如下：C≤0.1，Fe≤0.3，N≤0.05，H≤0.015，O≤0.2，Al指南5.5～6.8，V占3.5～4.5，余量为Ti和杂质。
4.根据权利要求1所述的可控软硬层状结构金属板材的工艺，其特征在于，所述的7075铝合金金属板材，其成分wt.％如下：Si为0.40，Fe为0.50，Cu为1.52，Mn为0.30，Mg为2.40，Cr为0.21，Zn为5.80，Ti为0.21，余量为Al及不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的可控软硬层状结构金属板材的工艺，其特征在于，H65的铜合金板，其成分wt.％如下：Fe≤0.10，Pb≤0.03，B≤0.01,Sb≤0.005，Bi≤0.002，Cu占63.5～68.0，余量为Zn和不可避免的杂质。
6.根据权利要求2所述的可控软硬层状结构金属板材的工艺，其特征在于，316LN不锈钢钢板的加工工艺具体如下：
(1)将选取的316LN不锈钢板材进行表面预处理，去除表面上的油污和氧化膜，打磨到呈现金属光泽；
(2)在室温条件下用同步/异步冷轧机对经过预处理316LN不锈钢板材进行冷轧处理，轧制每道次压下量为0.2mm，最终将板厚轧制为2mm，总轧制压下量为80％；
(3)将轧制后的316LN不锈钢板固定好，使用YLS-6000型激光器从不锈钢板一端使用激光束对其沿着宽度方向进行局部加热，激光器的功率为1.6kw，扫描速度为8mm/s，光斑直径为2mm，金属板加热区域分别为距离板材左端1cm，3cm和5cm处的三处面积为1cm*5cm的区域；
(4)当上表面加热完成后将316LN不锈钢板材翻转至背面，再利用激光束对下表面进行局部加热，加热的区域为上表面被加热的那些区域背面，使用的参数与上表面一致，自然冷却后得到软硬异质层状结构的316LN不锈钢金属板材。
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